автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Разработка метода спектрального преобразования и аппаратно-программных средств для измерения параметров излучателей рентгенодиагностических аппаратов

На правах рукописи

Петрушанский Михаил Георгиевич

РАЗРАБОТКА МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ И АППАРАТНО-ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РЕНТГЕНОДИАГНОСТИЧЕСКИХ АППАРАТОВ

Специальность 05.11.10

Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006

Работа выполнена на кафедре проектирования и технологии радиоэлектронных средств Государственного образовательного учреждения

высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук, доцент Корпев Евгений Андреевич

Офици&тьные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Владимиров Лев Владимирович

кандидат физико-математических наук Ямбуренко Николай Сергеевич

Ведущая организация: Научно-практический центр медицинской радиологии

Защита состоится « б » декабря 2006 г. в 10 часов на заседании Регионального диссертационного совета ДМ 208.001.01 при ГУН «Всероссийский научно-исследовательский и испытательный институт медицинской техники» МЗ и СР РФ по адресу: 129301, г. Москва, ул. Касаткина, д. 3

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИИМТ. Автореферат разослан « » ноября 2006 г. Ученый секретарь

Регионального диссертационного совета ДМ 208.001.01, кандидат технических наук

Э.Б. Козловский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке метода спектрального преобразования и аппаратно-программных средств для измерения параметров излучателей рентгенодиагностических аппаратов.

Актуальность проблемы

В настоящее время важную роль в достижении высокого качества рентгенодиагностики при мииимальной дозе облучения пациентов играет контроль параметров и характеристик рентгенодиагностических аппаратов (РДА).

В соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.1192-03 «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований» при разработке, производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации РДА необходимо проводить контроль эксплуатационных параметров аппаратов. В перечень основных параметров рентгеновских излучателей, проверяемых при испытании новых, отремонтированных и модернизированных РДА, а также при проведении периодического контроля аппаратов, входят суммарная фильтрация пучка рентгеновского излучения, точность выполнения уставок анодного напряжения и слой половинного ослабления.

Необходимость контроля перечисленных параметров объясняется их влиянием не только на интегральную интенсивность генерируемого рентгеновского излучения, но и на его спектральный состав и пропикающую способность. Поэтому эти параметры определяют дозиметрические характеристики излучения, которые влияют как на величину дозы облучения пациента, так и на качество получаемого рентгеновского изображения.

В условиях лечебно-профилактического учреждения желательно контролировать параметры РДА радиационными методами, то есть без вмешательства в электрические цепи питающего устройства.

Фильтрацию рентгеновского излучателя в стандарте ГОСТ Р МЭК 605222001 «Излучатели рентгеновские. Методы определения постоянной фильтрации» рекомендуется измерять путем подбора толщины слоя опорного материала, требующейся для получения такого же слоя половинного ослабления, что и для композиции материалов, использованных в конструкции рентгеновского излучателя. Этот метод характеризуется невысокой точностью ввиду возможного отклонения параметров образцов материалов от значений соответствующих параметров поглощающих сред исследуемого рентгеновского излучателя. Другие радиационные методы определения собственной фильтрации рентгеновского излучателя предла-

гались в работах H.Ii. Блинова, JI.B. Владимирова и A.A. Козлова, однако результаты измерений этими методами связаны с величиной анодного напряжения и зависят от ее точности.

Анодное напряжение также может быть измерено радиационными методами, которые можно разделить на две группы. К первой относится развитый в работах И.П. Зубкова, Б.Г. Потапова, В.Н. Васильева и Ю.В. Ларчикова сложный и дорогостоящий рентгеноспсктральный метод определения анодного напряжения. Результаты измерений этим методом не зависят от величины суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения. Ко второй группе относятся методы определения анодного напряжения по измеренной проникающей способности рентгеновского излучения, разработанные H.H. Блиновым, Г.И. Бердяковым, Т.В. Даниленко и другими исследователями. Эти методы получили более широкое распространение благодаря относительной простоте, однако результаты измерений анодного напряжения методами второй группы зависят от величины суммарной фильтрации излучения.

Слой половинного ослабления измеряют либо широкоизвестным методом подбора толщины фильтра, ослабляющего рентгеновское излучение в два раза, либо методами сравнения почернений участка рентгеновской пленки, экспонированного через измерительный клин, и участка, получившего половинную экспозицию. Методы сравнения предлагались в работах H.H. Блинова, Б.Я. Мишкиниса, М.Е. Смс-хова, И.М. Харитонова и других авторов. Определение слоя половинного ослабления методом подбора толщины фильтра является достаточно трудоемким процессом, а результаты измерений методами сравнения зависят от точности установки анодного напряжения.

Следовательно, представляется актуальной в развитие существующих методов разработка повой модификации радиационного метода - метода спектрального преобразования для измерения значений суммарной фильтрации, анодного напряжения и слоя половинного ослабления, основанного на преобразовании спектра рентгеновского излучения.

Цель работы

Разработка метода спектрального преобразования для измерения значений суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА без взаимного влияния определяемых параметров, а также аппаратно-программных средств метода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать физическую модель метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанного на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром.

2. Разработать математическую модель и оценить методические погрешности метода спектрального преобразования.

3. Обосновать целесообразность использования коэффициента пропускания излучения заданным тестовым фильтром в качестве меры изменения формы энергетического спектра излучения при его фильтрации.

4. Разработать состав, структуру и алгоритм работы аппаратных средств метода спектрального преобразования.

5. Разработать алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода.

6. Экспериментально исследовать возможности разрабатываемого метода. Выявить факторы, определяющие чувствительность и точность метода.

7. Разработать основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

В ходе решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования с применением математического пакета МаШСАО, методы интерполяции, численного решения интегральных уравнений, а также статистические методы обработки данных.

Научная новизна

1. Предложен метод спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанный на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром. Для реализации метода выявлена особенность, согласно которой изменение коэффициента пропускания излучения заданным тестовым фильтром при увеличении общей фильтрации, происходит в неравной степени для разных режимов генерирования рентгеновского излучения.

2. Получены функциональные зависимости, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с коэффициентом пропускания излучения заданным фильтром. Выполнена экспериментальная проверка указанных соотноше-

ний и показано, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений наблюдается для величин анодного напряжения выше 100 кВ и не превышает 1,5%.

Получены расчетные соотношения, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с величиной первого слоя половинного ослабления. Проведена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное отличие расчетных значений от экспериментальных составляет не более 3 %.

3. Определены состав, структура аппаратных средств и алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА.

4. Рассмотрены факторы, определяющие чувствительность и точность метода спектрального преобразования. Выявлено, что произведение измеренных значений суммарной фильтрации и анодного напряжения остается постоянной величиной для заданных анодного напряжения и толщины внешнего дополнительного фильтра, на основе чего разработан способ коррекции найденных исследуемым методом величин анодного напряжения и суммарной фильтрации.

5. Предложены основные положения методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (Бишкек - 1998); Международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ (0ренбург-2001); всероссийских научно-практических конференциях (с международным участием) (0ренбург-2004, 0ренбург-2005); региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области (0ренбург-2005); II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005»; научных семинарах кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.

Практическая значимость

Полученные результаты являются основой для разработки методики измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения

РДА методом спектрального преобразования. Указанная методика может быть использована в процессе контроля параметров излучателей РДА при производственных испытаниях и эксплуатации в лечебно-профилактических учреждениях. Проект методики используется для измерения параметров РДА в производственных условиях на предприятии ООО «УРАЛРЕНТГЕН» и в Клинико-диагностическом центре Оренбургского государственного университета, что подтверждают соответствующие акты о внедрении.

Разработанные алгоритм и компьютерная программа расчета коэффициента пропускания излучения заданного тестового фильтра могут быть полезны при подготовке инженеров, рентгенотехников и рентгенолаборантов. Отдельные результаты работы используются в учебном процессе Оренбургского государственного университета при преподавании дисциплины «Рентгеновские трубки, излучатели, моноблоки и питающие устройства».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Физическая сущность метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанного на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации.

2. Математическая модель метода спектрального преобразования.

3. Результаты вычислительного эксперимента.

4. Структура аппаратных средств и алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода.

5. Результаты экспериментального исследования метода.

6. Способ коррекции величин анодного напряжения и суммарной фильтрации РДА, измеренных разрабатываемым методом.

7. Основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

Публикации

Результаты диссертационной работы опубликованы в ] 7 печатных работах.

Структура и объем диссертации

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников, приложений и содержит 129 страниц машинописного текста, 18 рисунков, 49 таблиц и 107 наименований использованных источников.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ГАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, показана актуальность разработки метода спектрального преобразования как модификации радиационного метода измерения параметров РДА, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены основные характеристики и параметры рентгеновского излучения и РДА, современные требования к их величинам и контролю, а также методы и средства определения суммарной фильтрации и анодного напряжения РДА. Отмечены проблемы измерения значений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, связашше с взаимным влиянием измеряемых величин.

Анализ физических принципов, параметров и характеристик существующих бесконтактных методов определения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА подтверждает актуальность и обоснованность разработки метода спектрального преобразования для определения указанных величин, исключающего взаимное влияние последних при их измерениях.

Вторая глава посвящена выявлению физических особенностей, на которых основан метод спектрального преобразования для измерения параметров РДА. Кратко изложены особенности измерения радиационных параметров излучения.

Выявлена следующая особенность: изменение величины эффективной энергии рентгеновского излучения при увеличении суммарной толщины фильтра происходит в разной степени для разных режимов генерирования излучения (см. рисунок 1).

Рисунок' 1 - Графики зависимости эффективной энергии Ее} (кэВ) рентгеновского излучения от общей толщины с1{ (мм) алюминиевого фильтра при значениях постоянного анодного напряжения 40, 80 и 120 кВ.

Как видно из графиков, представленных на рисунке 1, с одной стороны, при разных значениях анодного напряжения и толщины фильтра излучение может характеризоваться одним и тем же значением эффективной энергии. Например, значению эффективной энергии 40 кэВ соответствуют пары (120 кВ, 3 мм) и (80 кВ, 6 мм) значений анодного напряжения и толщины алюминиевого фильтра (сечение 3). С другой стороны, для разных значений анодного напряжения двум заданным значениям толщины фильтра соответствуют разные пары величин эффективной энергии излучения. Например, величине анодного напряжения 120 кВ отвечает пара значений ((ЕсП2о)ь (ЕетоЪ), а величине 80 кВ - отличная от предыдущей пара значений ((Еегео)ь (ЕсшЪ) (сечения 1 и 2 соответственно).

Таким образом, изменение величины эффективной энергии с увеличением общей фильтрации пучка рентгеновского излучения носит индивидуальный характер для разных значений анодного напряжения. Это можно объяснить тем, что добавочная фильтрация по-разному преобразует исходные спектры рентгеновского излучения, соответствующие разным условиям генерирования излучения.

Указанное свойство добавочной фильтрации лежит в основе метода спектрального преобразования, физическая суть которого может быть сформулирована следующим образом: для определенной зависимости Е^ = / (с!^ ,£/„), соответствующей определенному значению анодного напряжет« I!а, для двух значений толщины общего фильтра (1 ^, отличающихся на толщину спектропреобразующего фильтра <1 (например, сечения 1 и 2 на рисунке 1), можно поставить в соответствие два значения эффективной энергии Е^,, Е^2 и записать следующую систему уравнений:

\ЕеП=/{.^+с1р\иаУ где с!г — значение суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения. Решение системы уравнений (1) позволяет по измеренным величинам , Е^2 и (1р найти действительные значения суммарной фильтрации с!^ и анодного напряжения иа излучателя контролируемого РДА.

Эффективная энергия может быть определена по величинам первого слоя половинного ослабления или коэффициента пропускания рентгеновского излучения. Для уменьшения погрешностей метода в качестве меры изменения формы энергети-

ческого спектра излучения при его фильтрации предложено использовать непосредственно коэффициент пропускания излучения К заданным тестовым фильтром:

и0

где О0 и О - измеренные значения экспозиционной дозы рентгеновского излучения до и после прохождешм тестового фильтра толщиной <1,.

Подобно изменению величины эффективной энергии, изменение величины коэффициента пропускания излучения К заданным тестовым фильтром с увеличением общей фильтрации йу пучка рентгеновского излучения носит индивидуальный характер для разных значений анодного напряжения 1/а, что проверено анализом зависимостей К = , полученных по опубликованным экспериментальным данным. Для двух значений коэффициента пропускания излучения К1 и Кг, соответствующих разным величинам общей фильтрации пучка рентгеновского излучения, систему уравнений (1) можно записать в следующем виде:

где К1 и К2 - экспериментально измеренные коэффициенты пропускания излучения соответственно до и после прохождения спектропреобразующсго фильтра толщиной с1р, - значение суммарной фильтрации, 17а - величина анодного напряжения. Система уравнений (3) равносильна системе уравнений (1) и ее решение также приводит к определению значений суммарной фильтрации с1ъ и анодного напряжения 1/а контролируемого РДА.

В третьей главе представлена разработка математического обеспечения метода спектрального преобразования.

Для нахождения функций системы уравнений (3) можно аппроксимировать экспериментальные данные или использовать в качестве функций аналитическое выражение. Сложность получения достоверных экспериментальных данных обусловлена необходимостью предварительного измерения действительных величин суммарной фильтрации и установленного анодного напряжения РДА.

Поэтому был проведен вывод аналитического выражения для коэффициента пропускания К смешанного пучка рентгеновского излучения тестовым фильтром толщиной с1, как функции двух переменных: анодного напряжения 11 а на рентгеновской трубке и величины общей фильтрации <1 . Коэффициент пропускания оп-

(3)

ределен как отношение выражений для мощностей экспозиционных доз за фильтром и перед ним. При записи указанных выражений использовалась формула Крамерса для спектральной плотности излучения по энергии непрерывного спектра рентге-. новского излучения. Полученное аналитическое выражение, которое затем подставляется в правую часть уравнений системы (3), имеет следующий вид:

2 „ "l

¡=1

К=—

, +А«

и ) 1,24

•dU

(4)

■p-d,

■dU

где индекс / обозначает помер поддиапазона энергий рентгеновских квантов (г = 1 для величин энергии от 10 до 40 кэВ, ¡' = 2 для величин энергии от 40 до 150 кэВ); U0=0,Ul =40 кВ, U2 -U а \ р - плотность вещества фильтра; а, Р и п - известные для каждого вещества постоянные величины, входящие в выражение для зависимости массового коэффициента ослабления излучения fim от энергии излучения Е:

= + (5)

ь.

где h - постоянная Планка, с — скорость света в вакууме; о.к, fiK и пк - известные для воздуха постоянные величины, входящие в выражение для зависимости массового коэффициента электронного преобразования энергии для воздуха цКт от энергии излучения Е:

(h • сУ'к Е

+ (6) Е k п-с

Коэффициенты а, J0, п, ак, fiK и пк были определены с помощью полученных из справочных данных табулированных величин массового коэффициента ослабления для алюминия и массового коэффициента электронного преобразования энергии для воздуха путем аппроксимации функций (5) и (6).

Выражение (4) позволяет рассчитать с помощью математического программного пакета величину коэффициента пропускания излучения по заданной величине анодного напряжения на рентгеновской трубке и параметрам фильтра. Погрешность расчета коэффициента пропускания тестового фильтра в основном определяется погрешностью аппроксимации коэффициентов расчетной формулы. Рассчитанные величины отличаются от опубликованных экспериментально полученных дашшх не

более чем на 3 % для значений толщины тестового фильтра до 10 мм. Следовательно, характеристическое излучение материала анода рентгеновской трубки не оказывает заметного влияния на величину погрешности расчета при использовании в выводе формулы (4) выражения Крамерса для спектральной плотности тормозного рентгеновского излучения.

Кроме того, соотношение (4) позволяет вычислить значение первого слоя половинного ослабления для заданных параметров фильтрующих сред и величины анодного напряжения.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального исследования метода спектрального преобразования.

Эксперимент был проведен на рентгеновском аппарате РУМ-20М с трехфазным шсстипульсным питающим устройством УРП 125/800 без дополнительных фильтров на излучателе.

Схема эксперимента приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 - Схема проведения эксперимента: 1 — рентгеновский излучатель; 2 - ослабляющие фильтры «дозиметра-свидетеля» (общая толщина 3 мм АО; 3 - ионизационная камера «дозиметра-свидетеля»; 4, 6 и 10 - свинцовые диафрагмы; 5 - радиационный кило-вольтметр; 7 - внешний дополнительный фильтр; 8 - спектропреобразующий фильтр; 9 -тестовый фильтр; 11 - ионизационная камера измерительного дозиметра.

Для измерения экспозиционной дозы и для контроля радиационного выхода рентгеновского излучателя (1) применялись дозиметры «Victoreen 660» (США) (3 и 11), погрешность которых при измерении экспозиционной дозы или мощности экспозиционной дозы составляет ±5%. Действительное значение анодного, напряжения определялось с помощью радиационного киловольтметра Unfors Mult-O-Meter Modcl 303 (Швеция) (5), предназначенного для измерения максимального среднего напряжения в диапазоне от 50 до 150 кВ с погрешностью ±2%.

2

В качестве спектропреобразугощих (8), внешних дополнительных (7) и тестовых (9) фильтров использовались алюминиевые пластины размером 250x250 мм2 толщиной 1 мм. Для обеспечения геометрии узкого пучка использовался набор из трех диафрагм (4, 6 и 10) в виде свинцовых пластин размером 500x500 мм2 толщиной 5 мм с отверстиями. За отверстием третьей диафрагмы располагалась ионизационная камера измерительного дозиметра (11). Ионизационная камера «дозиметра-свидетеля» (3) располагалась перед первой диафрагмой (4) в первичном пучке рентгеновского излучения. Для ослабления потока излучения входное окно ионизационной камеры было прикрыто алюминиевыми фильтрами (2) общей толщиной 3 мм.

Измерения выполнялись в режиме снимков при уставках аппарата 48, 52, 57, 63, 69, 76, 83, 91, 100, 112 и 125 кВ и токе 100 мА. Время экспозиции для каждой серии измерений (при неизменной уставке анодного напряжения) подбиралось из условия обеспечения экспозиционной дозы в рабочем диапазоне дозиметров для всех суммарных толщин используемых фильтров (7, 8 и 9).

Во время проведения эксперимента спсктропреобразующис, тестовые и внешние дополнительные фильтры устанавливались между второй и третьей диафрагмами перпендикулярно центральному лучу рентгеновского излучения. Суммарная толщина фильтров изменялась от 0 до 6 мм с шагом 1 мм. Для каждой i -ой толщины фильтра измерялось значение экспозиционной дозы Д с учетом поправки на нестабильность радиационного выхода рентгеновской трубки,

По полученным таким образом данным рассчитывались величины коэффициента пропускания излучения i-ым фильтром Kt:

а- <7)

где i изменяется от 1 до 6. Найденные величины были использованы, во-первых, для проверки формулы (4) для расчета коэффициента пропускания тестового фильтра и, во-вторых, для экспериментальной проверки метода спектрального преобразования.

Сравнение определенных по формуле (7) экспериментальных и найденных по формуле (4) расчетных величин коэффициента пропускания тестового фильтра толщиной 1 мм показало, что их значения различаются не более чем на ± 1% для значений анодного напряжения до 100 кВ и на ± 1,5% для величин анодного напряжения, превышающих 100 кВ (для значений суммарной толщины алюминиевых фильтров от 0 до 5 мм).

Найденные по формуле (7) экспериментальные коэффициенты пропускания тестового фильтра К1 и К2 для двух разных значений общей фильтрации пучка рентгеновского излучения, отличающихся на известную толщину спсктропреобра-зующего фильтра, использовались для определения величин суммарной фильтрации <1Ъ11 и анодного напряжения Uшп РДА по системе уравнений (3), правая часть которых была записана с помощью аналитического выражения (4). Кроме того, аппроксимация экспериментально полученных значений средней величины дозы D, для i -го фильтра использовались для определения первого слоя половинного ослабления излучения Aj,/. Полученные значения Д^ сравнивались с рассчитанными при использовании уравнения (4) величинами первого слоя половинного ослабления.

Результаты применения разрабатываемого метода показывают, что оптимальной толщиной спектропреобразующего фильтра dр является величина (2-3) мм. Использование спектропреобразующего фильтра с большей или меньшей толщиной приводит к увеличению погрешностей метода. На рисунке 3 приведены значения измеренного исследуемым методом анодного напряжения (при dp= 2 мм) как

функции значений напряжения, измеренных радиационным киловольтметром Un-fors Mult-O-Meter Model 303.

Из рисунка 3 видно, что измеренные исследуемым методом величины Uam полностью укладываются в трехпроцентную полосу погрешностей действительных значений анодного напряжения (пунктирные линии) при Ua < 80 кВ. Для значений Uа > 80 кВ определенные исследуемым методом величины анодного напряжения отличаются от действительных значений. Это несоответствие возникает из-за принятой в методе замены всего набора фильтрующих излучение сред эквивалентным по ослаблению излучения слоем алюминия. Большинство из указанных сред (стекло рентгеновской трубки, изоляционное масло, выходное окно излучателя, зеркало и защитное стекло диафрагмы) имеют эффективный атомный номер, близкий к атомному номеру алюминия. Массовые коэффициенты ослабления излучения перечисленных веществ близки,во всем диапазоне энергий рентгеновского излучения, применяемого в РДА. Иначе обстоит дело с вольфрамом, из которого изготовлен анод рентгеновской трубки и который существенно увеличивает фильтрацию излучения вблизи энергии К-края. Отношение массовых коэффициентов ослабления вольфрама и алюминия может быть принято постоянным только для узкого диапазона энергий излучения - от 15 до 65 кэВ. Поэтому только для этого диапазона энергий можно

заменить весь набор фильтрующих излучение сред эквивалентным по ослаблению излучения слоем алюминия. Следовательно, при анодном напряжении выше 65 кВ система уравнений (2), основанная на предложенной в третьей главе математической модели, должна иметь решения, все более отличающиеся от действительных значений. Этот вывод полностью подтверждается экспериментальными данными. При уставке 76 кВ доля квантов с энергиями от 65 до 76 кэВ достаточно мала, поэтому результаты эксперимента соответствуют действительным значениям. Для более высоких анодных напряжений это соответствие не наблюдается.

Рисунок 3 - Зависимости измеренного исследуемым методом анодного напряжения ит (кВ) и значения напряжения ит (кВ), измеренного радиационным кштовольтметром, от ит (кВ) (при йр = г мм).

Для измерения значений Vа > 80 кВ необходимо ввести поправочные коэффициенты, определяемые отношением измеренных и действительных величин анодного напряжения.

Для нахождения поправочных коэффициентов была аппроксимирована зависимость значений анодного напряжения 1!аг, измеренных радиационным кило-вольтметром, от измеренного исследуемым методом напряжения Vвт (при д.р~1 мм). Величина скорректированного напряжения иаК (кВ) как функция ог измеренного

напряжения Uam (kB) определяется по формуле:

UaK = 1,085- (UaJ 908 +20,222 (8)

при коэффициенте корреляции cor — 0,999.

Зависимости измеренных значений анодного напряжения при Uа <80 кВ и скорректированных по формуле (8) значений анодного напряжения при Uа > 80 кВ для äp =2 мм, а также значения напряжения Uar, измеренные радиационным кило-вольтметром, от напряжения Uиг приведены на рисунке 4.

Рисунок 4 - Зависимости измеренных и скорректированных значений анодного напряжения 1}аК (кВ) при ис < 80 кВ и и0 > 80 кВ соответственно и значения напряжения Цвг (кВ), измеренного радиационным киловольтметром, от и„ (кВ) (при с1р = 2 мм).

Представленный на рисунке 4 график показывает, что после коррекции измеренные исследуемым методом величины и аК полностью укладываются в пятипроцентную полосу погрешностей действительных значений анодного напряжения (пунктирные линии).

Поскольку при иа > 80 кВ измеренные значения анодного напряжения превышают действительные значения, то и измеренные значения суммарной фильтрации должны отличаться от их истинных значений. Отсутствие сведений о действи-

тельных величинах суммарной фильтрации не позволяет ввести поправочные коэффициенты подобно случаю коррекции значений анодного напряжения. Однако анализ полученных экспериментальных данных выявляет интересную закономерность: произведение значений и Vшп остается постоянной величиной для заданных анодного напряжения и толщины внешнего дополнительного фильтра. Поэтому появляется возможность определить скорректированное значение суммарной фильтрации с!гк по найденным значениям суммарной фильтрации с1Ъп, анодного напряжения I/ш„ и скорректированного анодного напряжения II аК:

¿тк = . (9)

иа К

Зависимости измеренных величин суммарной фильтрации при II а <80 кВ и скорректированных по формуле (9) величин суммарной фильтрации при II а > 80 кВ для йр = 2 мм от анодного напряжения ¿/„, приведены на рисунке 5.

22 2

XXX 1.8 1.6 1.4

Рисунок 5 - Зависимости измеренных и скорректированных значений суммарной фильтрации с11к (мм А1) при и„ < 80 кВ и и„ > 80 кВ соответственно от анодного напряженная и„, (кВ)(при с1р =2 мм).

Измеренные исследуемым методом и скорректированные величины имеют четырехпроцентную полосу погрешностей при IIа <80 кВ и восьмипроцсптиую полосу погрешностей при IIа > 80 кВ.

Из представленных на рисунке 5 зависимостей видно, что при изменении анодного напряжения от 52 до 121 кВ среднее значение величины суммарной фильтрации рентгеновского излучения использованного в экспериментах аппарата

изменяется примерно от 1,4 мм до 2 мм. Это можно объяснить тем, что массовые коэффициенты ослабления излучения для элементов излучателя (стекло рентгеновской трубки, изоляционное масло и др.) при увеличении анодного напряжения и, следовательно, эффективной энергии рентгеновского излучения изменяются не прямо пропорционально массовому коэффициенту ослабления излучения для алюминия. Поэтому толщина ослабляющего алюминиевого эквивалента, соответствующего суммарному ослаблению излучения всеми элементами излучателя, изменяется с увеличением величины эффективной энергии излучения, что подтверждается представленными экспериментальными данными. Относительно резкое увеличение значения суммарной фильтрации для Ua > 80 kB объясняется существенным увеличением фильтрации излучения вольфрамом вблизи энергии К-края.

Расчет первого слоя половинного ослабления по формуле (4) с использованием нескорректированных значений суммарной фильтрации и анодного напряжения отличается от экспериментальных результатов не более чем на ± 3 %. В то же время при использовании коррекции расхождение расчета первого слоя половинного ослабления с результатами экспериментов достигает ± 6 %. Увеличение погрешности объясняется тем, что в последнем случае в выражение (4) подставляются значения суммарной фильтрации и анодного напряжения с поправкой на коррекцию, что вызывает дополнительные погрешности расчета. Поэтому целесообразным представляется определять величину слоя половинного ослабления с использованием нескорректированных данных.

В пятой главе представлена методика выполнения измерений суммарной фильтрации, первого слоя половинного ослабления и постоянного анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования. Диапазон измеряемых значений суммарной фильтрации составляет от 0,5 до 5 мм алюминиевого эквивалента, диапазон измеряемых значений первого слоя половинного ослабления - от 0,5 до 5 мм алюминиевого эквивалента, диапазон измеряемых значений анодного напряжения - от 50 до 125 кВ. При измерениях исключено взаимное влияние определяемых параметров. Применение методики позволяет измерять действительную величину суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения при данном значении анодного напряжения. Границы относительной погрешности измерений суммарной фильтрации составляют ±4 % при Ua <80 кВ и ±8 % при Uа >80 кВ при доверительной вероятности 0,95. Границы относительной погрешности измерений первого слоя половинного ослабления составляют ±3 % при доверительной вероятности 0,95. Границы относительной погрешности измерений анодного на-

пряжения составляют ±3% при иа <80 кВ и ±5% при иа >80 кВ при доверительной вероятности 0,95.

Методика содержит описания средств измерений и вспомогательного оборудования, процедуры подготовки и выполнения измерений, а также обработки результатов.

ВЫВОДЫ

1. Предложен метод спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанный на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром. Разработана физическая модель метода.

2. Получены функциональные зависимости, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с коэффициентом пропускания излучения заданным тестовым фильтром. Разработаны алгоритмы и программа расчета коэффициента пропускания излучения заданного тестового фильтра. Выполнена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений наблюдается для величин анодного напряжения выше 100 кВ и не превышает 1,5 %.

3. Разработана математическая модель метода спектрального преобразования. Выявлены факторы, определяющие чувствительность и погрешность метода. Экспериментально показано, что для величин анодного напряжения, меньших 80 кВ, погрешности определения значений суммарной фильтрации и анодного напряжения составляют менее ±4 % и ±3 % соответственно.

4. Получены расчетные соотношения, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с величиной первого слоя половинного ослабления. Проведена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное отличие расчетных значений от экспериментальных составляет не более ±3 %.

5. Исследовано влияние действительной величины анодного напряжения на результаты измерения значений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения. Экспериментально определено, что для величин анодного напряжения, превышающих 80 кВ, измеренные значения суммарной фнлыра-ции и анодного напряжения отличаются от их действительных значений. Получены

зависимости, определяющие спектральную зависимость, или «ход с жесткостью», измеряемых методом спектрального преобразования величин, а также разработан способ коррекции найденных исследуемым методом величин анодного напряжения и суммарной фильтрации РДА. Экспериментально показано, что при использовании коррекции погрешности определения значений суммарной фильтрации и анодного напряжения составляют менее ±8 % и ±5 % соответственно.

6. Предложены основы методики измерения значений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования. Методика внедрена и успешно используется для измерения параметров РДА в производственных условиях на предприятии ООО «УРАЛРЕНТГЕН» и в Клинико-диагностическом центре Оренбургского государственного университета.

Основные положения диссертации изложены в следующих публикациях:

1. Петрушанский М.Г. Методы определения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения рентгеновских диагностических аппаратов. // Вестник ОГУ. -2006.-№2.-С. 106- 108.

2. Петрушанский М.Г. Методы и информационно-измерительные средства определения анодного напряжения рентгеновских диагностических аппаратов. // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: Материалы всероссийской научно-практической конференции (с международным участием). - Оренбург, ИПК ГОУ ОГУ, 2004. - С.149-152.

. 3. Петрушанский М.Г., Корнев Е.А. К определению эффективной энергии смешанного пучка рентгеновского излучения.//Медицинская техника.-2006.-№2.-С.46-49.

4. Петрушанский М.Г., Корнев Е.А., Пищухин A.M. Определение погрешности расчета эффективной энергии смешанного пучка рентгеновского излучения. // Медицинская техника. - 2006. - №3. - С. 20 - 22.

5. Петрушанский М.Г. Способ измерения анодного напряжения на рентгеновской трубке. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005107404 от 16.03.2005. Россия.

6. Петрушанский М.Г. Измерение анодного напряжения и собственной фильтрации рентгеновских диагностических аппаратов методом изменения формы энергетического спектра излучения. // II Евразийский конгресс по медицинской физике и инженерии «МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА-2005». Сборник материалов. -М„ 2005. - С.367-368.

7. Петрушанский М.Г. Метод измерения анодного напряжения и собственной фильтрации рентгеновских диагностических аппаратов. // Материалы региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области. Часть 2.- Оренбург: ИПК ГОУ ОГУ, 2005. - С.261-262.

8. Корпев Е.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г. Цифровая флюорографическая система. И Датчики и системы. - 2004,- №6. - С. 55-58.

9. Бондаренко В.А., Корнев Е.А., Петрушанский М.Г. Лелюхин A.C. Беспроволочный микроточечиый рентгеновский детектор. Патент на изобретение № 2210139 от 27.04.2001. Россия.

Ю.Пструшанский М.Г., Корнев Е.А. Ионизационный рентгеновский электроннолучевой детектор. Патент на изобретение № 2268762 от 26.03.2004. Россия.

11.Корнев Е.А., Десятков Г.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г., Моровов А.П. Рентгеновизуальная цифровая система на основе газового координатно-чувствителыгого детектора больших размеров. // Сборник докладов Международного Семинара «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ». 4.2. - Бишкек, КРСУ, 1998.- С.128-138.

12.Васильев И.А., Алехина В.М., Маматибраимов С., Корнев Е.А., Петрушанский М.Г., Лелюхин A.C., Каганский П.Л. Схема регистрации амплитудного распределения импульсов напряжения на ПЭВМ IBM-типа. II Радиоэкологические и смежные проблемы уранового производства (Сборник научных работ под ред. П.И. Чалова). - Бишкек: ИЛИМ, 2000 - С. 110 - 116.

13.Корпев Е.А., Петрушанский М.Г., Лелюхин A.C., Васильев H.A., Алехина В.М., Маматибраимов С. Альфа-спектрометр для анализа распространения техногенного урана вокруг хвостохранилищ. // Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях (материалы международной научно-практической конференции). - Оренбург: ОГУ, 2001. - С. 344-345.

14.Корнев Е.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г. Применение газовых детекторов в качестве электронного аналога рентгеновской пленки. // Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях (материалы международной научно-практической конферепции).-Оренбург: ОГУ, 2001,- С. 346.

15.Корнев Е.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г. Особенности построения и применения спектрозональных рентгеновских систем диагностики и контроля. // Современные информационные технологии в науке, образовании и практике: Мате-

риалы всероссийской научно-практической конференции (с международным участием), посвященной 10-летию Оренбургского государственного университета. -Оренбург, ИПК ГОУ ОГУ, 2005. - С.26-35. lô.Petrushanskii M.G., Kornev Е.А. On Determination of the Effective Energy of a Mixed

X-Ray Beam. // Biomedical Engineering. - 2006. - Vol. 40. - №2. - P. 102 - 105. 17.Petrushanskii M.G., Kornev E.A., Pishchukhin A.M. Determination of Error of Calculation of Effective Energy of a Combined X-Ray Beam. // Biomedical Engineering. -2006.-Vol. 40.-№3.-P. 128- 129.

Лицензия ЛР 020716 от 02.11.98

Подписано в печать 30.10.06 Формат 60x84 /16, гарнитура «Тайме» Усл. печ. листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 714.

ИПК ГОУ ОГУ 460018, г. Оренбург ГСП, пр. Победы 13, ГОУ ВПО «Оренбургский государственный университет».

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РДА.

1.1 Современные требования к величинам и контролю параметров излучателей РДА.

1.1.1 Требования к контролю суммарной фильтрации и слоя половинного ослабления рентгеновского излучения.

1.1.2 Требования к контролю анодного напряжения РДА.

1.2 Характеристики и параметры рентгеновского излучения и их связь с величинами суммарной фильтрации и анодного напряжения РДА.

1.3 Методы определения суммарной фильтрации рентгеновского излучения РДА.

1.3.1 Расчетный метод определения суммарной фильтрации.

1.3.2 Радиационные методы определения суммарной фильтрации.

1.4 Методы определения анодного напряжения РДА.

1.4.1 Контактные методы определения анодного напряжения РДА.

1.4.2 Радиационные методы определения анодного напряжения РДА.

ГЛАВА 2. МЕТОД СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РДА.

2.1 Физические основы метода.

2.2 Особенности измерения радиационных параметров рентгеновского излучения.

2.3 Обоснование выбора варианта реализации метода.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ

МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

3.1 Вывод функциональной зависимости для коэффициента пропускания тестового фильтра.

3.2 Определение погрешности метода.

3.2.1 Определение погрешности расчета коэффициента пропускания.

3.2.2 Определение погрешности экспериментального измерения величины коэффициента пропускания.

3.3. Вычислительный эксперимент.

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

МЕТОДА СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

4.1 Аппаратные средства проведения эксперимента.

4.2 Алгоритмы проведения эксперимента и обработки результатов.

4.3 Результаты эксперимента.

4.3.1 Коэффициент пропускания излучения тестовым фильтром.

4.3.2 Определение суммарной фильтрации и анодного напряжения.

4.3.3 Определение слоя половинного ослабления излучения.

ГЛАВА 5. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ РДА

МЕТОДОМ СПЕКТРАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ.

5.1 Средства измерений и вспомогательное оборудование.

5.2 Метод измерений.

5.3 Подготовка и выполнение измерений.

5.4 Обработка результатов измерений.

Для получения высокого качества диагностики при минимальной дозе облучения пациента необходимо обеспечение заданных условий рентгеновского исследования [18].

В соответствии с требованиями СанПиН 2.6.1.1192-03 «Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований» [19] при разработке, производстве, эксплуатации, ремонте и модернизации РДА необходимо проводить контроль эксплуатационных параметров аппаратов. В перечень основных параметров рентгеновских излучателей, проверяемых при испытании новых, отремонтированных и модернизированных РДА, а также при проведении периодического контроля аппаратов, входят суммарная фильтрация пучка рентгеновского излучения, точность выполнения уставок анодного напряжения и слой половинного ослабления.

Необходимость контроля перечисленных параметров объясняется их влиянием не только на интегральную интенсивность генерируемого рентгеновского излучения, но и на его спектральный состав и проникающую способность. Поэтому эти параметры определяют дозиметрические характеристики излучения, которые влияют как на величину дозы облучения пациента, так и на качество получаемого рентгеновского изображения.

В условиях лечебно-профилактического учреждения желательно контролировать параметры РДА радиационными методами, то есть без вмешательства в электрические цепи питающего устройства.

Фильтрацию рентгеновского излучателя в стандарте ГОСТ Р МЭК 60522-2001 «Излучатели рентгеновские. Методы определения постоянной фильтрации» [20] рекомендуется измерять путем подбора толщины слоя опорного материала, требующейся для получения такого же слоя половинного ослабления, что и для композиции материалов, использованных в конструкции рентгеновского излучателя. Этот метод характеризуется невысокой точностью ввиду возможного отклонения параметров образцов материалов от значений соответствующих параметров поглощающих сред исследуемого рентгеновского излучателя. Другие радиационные методы определения собственной фильтрации рентгеновского излучателя предлагались в работах H.H. Блинова [21], JI.B. Владимирова и A.A. Козлова [22], однако результаты измерений этими методами связаны с величиной анодного напряжения и зависят от ее точности.

Анодное напряжение также может быть измерено радиационными методами, которые можно разделить на две группы. К первой относится развитый в работах И.П. Зубкова, Б.Г. Потапова, В.Н. Васильева и Ю.В. Ларчикова [23-26] сложный и дорогостоящий рентгеноспектральный метод определения анодного напряжения. Результаты измерений этим методом не зависят от величины суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения. Ко второй группе относятся методы определения анодного напряжения по измеренной проникающей способности рентгеновского излучения, разработанные H.H. Блиновым, Г.И. Бердяковым, Т.В. Даниленко и другими исследователями [27-29]. Эти методы получили более широкое распространение благодаря относительной простоте, однако результаты измерений анодного напряжения методами второй группы зависят от величины суммарной фильтрации излучения.

Слой половинного ослабления измеряют либо упоминающимся в [22, 30, 31] и других работах широкоизвестным методом подбора толщины фильтра, ослабляющего рентгеновское излучение в два раза, либо методами сравнения почернений участка рентгеновской пленки, экспонированного через измерительный клин, и участка, получившего половинную экспозицию. Методы сравнения предлагались в работах H.H. Блинова, Б.Я. Мишкиниса, М.Е. Смехова, И.М. Харитонова [27] и других авторов. Определение слоя половинного ослабления методом подбора толщины фильтра является достаточно трудоемким процессом, а результаты измерений методами сравнения зависят от точности установки анодного напряжения.

Следовательно, представляется актуальной в развитие существующих методов разработка новой модификации радиационного метода - метода спектрального преобразования для измерения значений суммарной фильтрации, анодного напряжения и слоя половинного ослабления, основанного на преобразовании спектра рентгеновского излучения.

Целью данной работы является разработка метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА без взаимного влияния определяемых параметров, а также аппаратно-программных средств метода.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать физическую модель метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанного на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром.

2. Разработать математическую модель и оценить методические погрешности метода спектрального преобразования.

3. Обосновать целесообразность использования коэффициента пропускания излучения заданным тестовым фильтром в качестве меры изменения формы энергетического спектра излучения при его фильтрации.

4. Разработать состав, структуру и алгоритм работы аппаратных средств метода спектрального преобразования.

5. Разработать алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода.

6. Экспериментально исследовать возможности разрабатываемого метода. Выявить факторы, определяющие чувствительность и точность метода.

7. Разработать основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

В ходе решения поставленных задач были использованы методы математического моделирования с применением математического пакета МаШСАО, методы интерполяции, численного решения интегральных уравнений, а также статистические методы обработки данных.

Научная новизна.

1. Предложен метод спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанный на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром. Для реализации метода выявлена особенность, согласно которой изменение коэффициента пропускания излучения заданным тестовым фильтром при увеличении общей фильтрации происходит в неравной степени для разных режимов генерирования рентгеновского излучения.

2. Получены функциональные зависимости, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с коэффициентом пропускания излучения заданным фильтром. Выполнена экспериментальная проверка указанных соотношений и показано, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений наблюдается для величин анодного напряжения выше 100 кВ и не превышает 1,5 %.

Получены расчетные соотношения, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с величиной первого слоя половинного ослабления. Проведена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное отличие расчетных значений от экспериментальных составляет не более 3 %.

3. Определены состав, структура аппаратных средств и алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА.

4. Рассмотрены факторы, определяющие чувствительность и точность метода спектрального преобразования. Выявлено, что произведение измеренных значений суммарной фильтрации и анодного напряжения остается постоянной величиной для заданных анодного напряжения и толщины внешнего дополнительного фильтра, на основе чего разработан способ коррекции найденных исследуемым методом величин анодного напряжения и суммарной фильтрации.

5. Предложены основные положения методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

Апробация работы была проведена на Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (Бишкек - 1998); Международной юбилейной научно-практической конференции, посвященной 30-летию ОГУ (0ренбург-2001); всероссийских научно-практических конференциях (с международным участием) (0ренбург-2004, 0ренбург-2005); региональной научно-практической конференции молодых ученых и специалистов Оренбургской области (0ренбург-2005); II Евразийском конгрессе по медицинской физике и инженерии «Медицинская физика-2005»; научных семинарах кафедры проектирования и технологии радиоэлектронных средств Оренбургского государственного университета.

Практическая значимость.

Полученные результаты являются основой для разработки методики измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования. Указанная методика может быть использована в процессе контроля параметров излучателей РДА при производственных испытаниях и эксплуатации в лечебно-профилактических учреждениях. Проект методики используется для измерения параметров РДА в производственных условиях на предприятии ООО «УРАЛРЕНТГЕН» и в Клинико-диагностическом центре Оренбургского государственного университета, что подтверждают соответствующие акты о внедрении.

Разработанные алгоритм и компьютерная программа расчета коэффициента пропускания излучения заданного тестового фильтра могут быть полезны при подготовке инженеров, рентгенотехников и рентгенолаборантов. Отдельные результаты работы используются в учебном процессе Оренбургского государственного университета при преподавании дисциплины «Рентгеновские трубки, излучатели, моноблоки и питающие устройства».

На защиту выносятся следующие положения:

1. Физическая сущность метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанного на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации.

2. Математическая модель метода спектрального преобразования.

3. Результаты вычислительного эксперимента.

4. Структура аппаратных средств и алгоритмы измерения, сбора и обработки данных для реализации метода.

5. Результаты экспериментального исследования метода.

6. Способ коррекции величин анодного напряжения и суммарной фильтрации РДА, измеренных разрабатываемым методом.

7. Основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

Структура работы.

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников и приложений.

Первая глава посвящена обзору современных методов и средств определения параметров излучающей части РДА.

Во второй главе изложена физическая модель метода спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА.

В третьей главе представлена разработка математического обеспечения метода спектрального преобразования.

Четвертая глава посвящена экспериментальному исследованию возможностей разрабатываемого метода.

В пятой главе приведены основы методики выполнения измерений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования.

Основные результаты работы, изложенной в диссертации, следующие:

1. Предложен метод спектрального преобразования для измерения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА, основанный на изменении формы энергетического спектра излучения при его фильтрации спектропреобразующим фильтром. Разработана физическая модель метода.

2. Получены функциональные зависимости, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с коэффициентом пропускания излучения заданным тестовым фильтром. Разработаны алгоритмы и программа расчета коэффициента пропускания излучения заданного тестового фильтра. Выполнена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное расхождение экспериментальных и расчетных значений наблюдается для величин анодного напряжения выше 100 кВ и не превышает 1,5 %.

3. Разработана математическая модель метода спектрального преобразования. Выявлены факторы, определяющие чувствительность и погрешность метода. Экспериментально показано, что для величин анодного напряжения, меньших 80 кВ, погрешности определения значений суммарной фильтрации и анодного напряжения составляют менее ±4 % и ±3 % соответственно.

4. Получены расчетные соотношения, связывающие величины суммарной фильтрации и анодного напряжения с величиной первого слоя половинного ослабления. Проведена экспериментальная проверка полученных соотношений и показано, что максимальное отличие расчетных значений от экспериментальных составляет не более ±3 %.

5. Исследовано влияние действительной величины анодного напряжения на результаты измерения значений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения. Экспериментально определено, что для величин анодного напряжения, превышающих 80 кВ, измеренные значения суммарной фильтрации и анодного напряжения отличаются от их действительных значений. Получены зависимости, определяющие спектральную зависимость, или «ход с жесткостью», измеряемых методом спектрального преобразования величин, а также разработан способ коррекции найденных исследуемым методом величин анодного напряжения и суммарной фильтрации РДА. Экспериментально показано, что при использовании коррекции погрешности определения значений суммарной фильтрации и анодного напряжения составляют менее ±8 % и ±5 % соответственно.

6. Предложены основы методики измерения значений суммарной фильтрации, слоя половинного ослабления и анодного напряжения РДА методом спектрального преобразования. Методика внедрена и успешно используется для измерения параметров РДА в производственных условиях на предприятии ООО «УРАЛРЕНТГЕН» и в Клинико-диагностическом центре Оренбургского государственного университета.

Достигнутые в работе результаты могут быть полезны и служить исходными данными для разработки и применения методики измерения параметров излучающей части РДА с целью повышения качества диагностики при минимальной дозе облучения пациента.

В заключение автор выражает признательность своему научному руководителю - кандидату физико-математических наук Корневу Е.А. за методическое сопровождение работы, обсуждение результатов и помощь, оказанную при подготовке диссертационной работы.

Автор также выражает благодарность доктору технических наук Блинову H.H. и кандидату технических наук Козловскому Э.Б. за ценные обсуждения, практические рекомендации и помощь в проведении исследования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Петрушанский М.Г. Методы определения суммарной фильтрации пучка рентгеновского излучения рентгеновских диагностических аппаратов. // Вестник ОГУ. 2006.-№2. - С. 106 - 108.

2. Петрушанский М.Г., Корнев Е.А. К определению эффективной энергии смешанного пучка рентгеновского излучения. // Медицинская техника. -2006.-№2.-С. 46-49.

3. Петрушанский М.Г., Корнев Е.А., Пищухин A.M. Определение погрешности расчета эффективной энергии смешанного пучка рентгеновского излучения. // Медицинская техника. 2006. - №3. - С. 20 - 22.

4. Петрушанский М.Г. Способ измерения анодного напряжения на рентгеновской трубке. Решение о выдаче патента на изобретение по заявке № 2005107404 от 16.03.2005. Россия.

5. Корпев Е.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г. Цифровая флюорографическая система. // Датчики и системы. 2004-№6. - С. 55-58.

6. Бондаренко В.А., Корнев Е.А., Петрушанский М.Г. Лелюхин A.C. Беспроволочный микроточечный рентгеновский детектор. Патент на изобретение № 2210139 от 27.04.2001. Россия.

7. Ю.Петрушанский М.Г., Корнев Е.А. Ионизационный рентгеновский электронно-лучевой детектор. Патент на изобретение № 2268762 от 26.03.2004. Россия.

8. Корнев Е.А., Десятков Г.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г., Моровов

9. Корнев Е.А., Петрушанский М.Г., Лелюхин A.C., Васильев И.А., Алехина

10. Корнев Е.А., Лелюхин A.C., Петрушанский М.Г. Применение газовых детекторов в качестве электронного аналога рентгеновской пленки. //

11. Учебная, научно-производственная и инновационная деятельность высшей школы в современных условиях (материалы международной научно-практической конференции) Оренбург: ОГУ, 2001 - С. 346.

12. Petrushanskii M.G., Kornev Е.А. On Determination of the Effective Energy of a Mixed X-Ray Beam. // Biomedical Engineering. -2006-Vol. 40.-№2- P. 102 -105.

13. Гигиенические требования к устройству и эксплуатации рентгеновских кабинетов, аппаратов и проведению рентгенологических исследований: СанПиН 2.6.1.1192-03. М., 2003.

14. Излучатели рентгеновские. Методы определения постоянной фильтрации: ГОСТ Р МЭК 60522-2001,-М., 2001.

15. Блинов Н.Н. Способ определения собственной фильтрации рентгеновского излучения. А.с. СССР №843321, кл. H 05 G 1/26, 1981.

16. Блинов H.H., Мишкинис Б.Я., Смехов М.Е., Харитонов И.М. Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского аппарата по слою кратного ослабления. A.c. СССР №980298, кл. Н 05 G 1/26, 1982.

17. Бердяков Г.И. Устройство контроля радиационных и электрических характеристик рентгеновских аппаратов УКРЭХ. // Медицинская техника-2002,- №5.- С. 18-21.

18. Бердяков Г.И., Блинов H.H. Типовой ряд радиационных киловольметров. // Медицинская техника-2005.-№5-С. 19-21.

19. Блинов H.H., Костылев В.А., Наркевич Б.Я. Физические основы рентгенодиагностики. М.: АМФ-Пресс, 2002. - 74 с.

20. Медицинская рентгенология: технические аспекты, клинические материалы, радиационная безопасность. / Под ред. Р.В. Ставицкого. М.: МНПИ, 2003. -344 с.

21. Verhaegen F., Nahum A.E., Van de Putte S. and Namito Y. Monte Carlo modelling of radiotherapy kV x-ray units. // Phys. Med. Biol. 1999.-№44- P. 1767- 1789.

22. Ставицкий P.B., Павлова M.K., Лебедев Л.А., Кальницкий С.А. Дозовые нагрузки на детей при рентгенологических исследованиях. М.: КАБУР, 1993.- 164 с.

23. Бердяков Г.И., Зеликман М.И., Ртищева Г.М. Методы автоматизированного контроля характеристик цифровых рентгеновских детекторов. // Медицинская техника-2001-№5-С. 12- 15.

24. Денискин Ю.Д., Чижунова Ю.А. Рентгеновские диагностические трубки и их тепловые режимы. М.: Энергия, 1970. - 152 с.

25. Изделия медицинские электрические. Часть 1. Общие требования безопасности. 3. Общие требования к защите от излучения в диагностических рентгеновских аппаратах: ГОСТ Р 50267.0.3-99 (МЭК 60601-94).-М., 2000.

26. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн.2. / Под общ. ред. В.В. Клюева. -М.: Машиностроение, 1992. -368 с.

27. Приборы рентгеновские. Метод измерения алюминиевого или медного эквивалента баллона рентгеновского прибора: ГОСТ 22091.10-84 М., 1984.

28. Рентгенотехника: Справочник. В 2-х кн. Кн.1. / Под общ. ред. В.В. Клюева -М.: Машиностроение, 1992. -480 с.

29. Conversion tables between HVL and Total Filtration. Application Note 1-AN-52020-11. RTI Electronics AB, Sweden. Revision A, February, 2005. 4 p.

30. Соколов B.M. Выбор оптимальных физико-технических условий рентгенографии (практическое руководство для рентгенолаборантов). -JL: Медицина, 1979.-272 с.

31. Мильман Н.Я. Работа лаборантов и техников рентгенодиагностического кабинета. JL: Медицина, 1980. -264 с.

32. Тихонов К.Б. Техника рентгенологического исследования. Л.: Медицина, -1978.-280 с.

33. Чикирдин Э.Г., Мишкинис А.Б. Техническая энциклопедия рентгенолога. -М.:МНПИ, 1996.-473 с.

34. Семенов В.М., Самакаев Ю.Г. Тесты проверки основных параметров рентгеновского аппарата. Методические рекомендации. -Пенза.: Издательский отдел ПРОО «НОРМИС», 2002. 32 с.

35. Мальцев М.В. Рентгенография металлов. -М.: Металлургиздат, 1952. -256с.

36. Блинов H.H. Рентгеновские питающие устройства. -М.: Энергия, 1980.-200с.

37. Хараджа Ф.Н. Общий курс рентгенотехники. M.-JL: Энергия, 1966. - 568 с.

38. Жутяев С.Г., Смелик Г.И., Мишкинис А.Б., Мишкинис Б.Я., Чикирдин Э.Г. Спектральное распределение тормозного излучения в рентгеновских трубках с вольфрамовым анодом. // Медицинская техника 2001 -№4- С. 3-5.

39. Шмелев В.К. Рентгеновские аппараты. М.: Энергия, 1973. - 472 с.

40. Аглинцев К.К. Дозиметрия ионизирующих излучений. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1957. -504 с.

41. Elhila Н., Mouse D. Applications of simulated x-ray spectra to x-ray imaging. // J. Phys. D: Appl. Phys.- 1996.-№29 P. 1613-1618.

42. HVL Measurements with PMX-III and the MX detector on Units with Tungsten target. Application Note 03-008/01. RTI Electronics AB, Sweden. February, 1994. -6p.

43. Trout D., Kelley J.P. and Lucas A.C. Determination of half-value layer. // Radiology 1960.-№84. - P. 729 - 740.

44. HVL measurements using the PMX-III kit. Application Note 03-009/01. RTI Electronics AB, Sweden. March, 1994. 16 p.

45. Мишкинис Н.Г. Способ управления работой рентгеновского аппарата. А.с. СССР №833203, кл.А61 В 6/02, 1981.

46. Кэй Г. Рентгеновские лучи. / Перевод с английского переработанный и значительно дополненный Э.В. Шпольским. Л.: Государственное издательство Москва, 1928. - 376 с.

47. Владимиров Л.В., Козлов А.А., Лыгин В.А., Рябкин А.Н. Радиационный метод определения напряжения генерирования рентгеновского излучения. Состояние и перспективы. // Медицинская техника 2000 - №5 - С. 15-19.

48. Дворянкин В.Ф., Дикаев Ю.М., Кудряшов А.А., Соколовский А.А. Определение мгновенной эффективной энергии тормозного излучения рентгеновских трубок. // Измерительная техника 2003 - №8 - С. 56 - 58.

49. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2 т. Том 1. / Под ред. H.H. Блинова, Б.И. Леонова М.: ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001. - 220 с.

50. Barracuda. All you need for X-ray QA and Service. Http://www.rti.se.

51. Кручинин C.A., Резвых C.B., Шенгелия H.A. О систематизации технических испытаний рентгенодиагностической аппаратуры в условиях ЛПУ. // Медицинская техника 2005 - №5 - С. 22 - 24.

52. Бердяков Г.И., Ларчиков Ю.В., Ртищева Г.М., Шенгелия H.A. Анализ состояния парка рентгенодиагностической аппаратуры в ЛПУ Москвы. // Медицинская техника 2004 - №5 - С. 37 - 40.

53. Эксплуатация и ремонт рентгенодиагностических аппаратов. / Под ред. H.H. Блинова. М.: Медицина, 1985.-256 с.

54. Приборы рентгеновские. Методы измерения напряжения рентгеновской трубки: ГОСТ 22091.4-86.- М., 1986.

55. Зубков И.П., Владимиров Г.А. Прецизионный измеритель высоких напряжений в рентгеновских аппаратах (ИАН-3). // Измерительная техника-1998 №2 - С. 49-51.

56. Чикирдин Э.Г., Кочетова Г.П., Колос A.C. Проверка параметров рентгеномаммографических аппаратов в условиях кабинета. // Медицинская техника.- 1999 №5.- С. 27 - 30.

57. Greening J.R. The measurement by ionising methods of the peak kilovoltage across x-ray tubes. // Br. J. Appl. Phys. 1955.-№6 - P. 73 - 78.

58. Рентгеновские диагностические аппараты. В 2 т. Том 2. / Под ред. H.H. Блинова, Б.И. Леонова.- М.: ВНИИИМТ, НПО «Экран», 2001.-208 с.

59. Блинов H.H., Карадимов Д.С., Кускова Н.М., Мишкинис Б.Я., Петухов Н.Н, Смехов М.Е. Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского излучателя по слою кратного ослабления. A.c. СССР №1103372, кл. Н 05 G 1/26, 1984.

60. Блинов H.H., Лейченко А.И., Смехов М.Е., Урванцева И.Л., Шенгелия H.A. Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского аппарата по слою кратного ослабления. A.c. СССР №1144196, kji. Н 05 G 1/26, 1985.

61. Блинов H.H., Бардина Н.Д., Кускова Н.М., Лейченко А.И., Шенгелия H.A. Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского аппарата по слою кратного ослабления. A.c. СССР №1144197, кл. Н 05 G 1/26, 1985.

62. Блинов H.H., Лейченко А.И., Смехов М.Е., Шенгелия H.A. Устройство для калибровки анодного напряжения рентгеновского аппарата по слою кратного ослабления. A.c. СССР №1144198, кл. Н 05 G 1/26, 1985.

63. Шенгелия H.A. Контроль характеристик рентгенодиагностических аппаратов с помощью тест-кассеты. // Медицинская техника-2001 -№6 С. 39-^12.

64. Бердяков Г.И., Блинов H.H. (мл.) Компактный рентгеновский мультиметр с мобильным компьютером. // Медицинская техника 2004-№5 - С. 45 - 46.

65. KVp measurements on GE AMX-4. A comparison between the Barracuda, an invasive Voltage divider, and the Keithley Triad. Application Note l-AN-52020-1. RTI Electronics AB, Sweden. Revision A, November 2004. 14 p.

66. ECC Model 815 X-ray kVp Meter / Exposure Time Meter. Instruction Manual.

67. Пиццутиелло P., Куллинан Дж. Введение в медицинскую рентгенографию. -Ныо Йорк: Компания Истман Кодак, 1996.-210 с.

68. Брегадзе Ю.И., Степанов Э.К., Ярына В.П. Прикладная метрология ионизирующих излучений. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 264 с.

69. Владимиров J1.B., Козлов А.А. Рентгеновский дозиметр ИД-03 для контроля радиационных параметров рентгеновских установок в режиме рентгенографии. // Медицинская техника 2002 - №5 - С. 22-24.

70. Владимиров JI.B., Козлов А.А. Переносной малогабаритный рентгеновский дозиметр для контроля мощности дозы при рентгенодиагностике ИМД-01. // Медицинская техника 2002 - №5 - С. 24-27.

71. Владимиров J1.B., Козлов А.А. Переносной малогабаритный рентгеновский дозиметр ДЭР-01М для контроля дозы и мощности дозы при рентгенодиагностике. // Медицинская техника 2003- №5- С. 45-47.

72. Прикладная дозиметрия. / Под общ. ред. проф. К.К. Аглинцева. М.: Госатомиздат, 1962. - 248 с.

73. Поройков И.В. Рентгенометрия. -M.-J1.: Гостехтеоретиздат, 1950. -383 с.

74. Аппараты рентгеновские медицинские диагностические. Условия излучения при определении характеристик: ГОСТ Р МЭК 61267-2001 М., 2001.

75. Berger M.J. and Hubbell J.H. XCOM: Photon Cross Sections on a Personal Computer, National Bureau of Standards. 1999. Versión 3.1.

76. Козловский Э.Б. Измерение динамического диапазона цифровых систем визуализации рентгеновских изображений. // Медицинская техника 2000-№5.-С. 26-28.

77. Установки дозиметрические рентгеновского и гамма-излучений эталонные. Методика поверки по мощности экспозиционной дозы и мощности кермы в воздухе: ГОСТ 8.087-2000.- М., 2001.

78. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. -J1.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1985. 248 с.

79. Victoreen 660. Digital Radiation Survey Meter. Operators Manual.

80. Пискунов H.C. Дифференциальное и интегральное исчисления. В 2 т. Том 1.-М.: Наука, 1976.-456 с.

81. Излучатель рентгеновский диагностический РИД. Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1990.

82. Unfors Mult-O-Meter Model 303. Radiation kV-Meter. Instruction Manual.

83. Савчук В.П. Обработка результатов измерений. -Одесса: ОНПУ, 2002. -54 с.

84. Денискин Ю.Д., Чижунова Ю.А. Медицинские рентгеновские трубки и излучатели. М.: Энергоатомиздат, 1984. - 209 с.

85. Аппарат рентгеновский диагностический переносной 9JI5. Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1987.

86. Аппарат флюорографический рентгеновский стационарный 12Ф7 Паспорт. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 1987.

87. Флюорограф маподозовый цифровой полупроводниковый «КАРС-СКАН». Паспорт.